1000MW超超临界机组低压模块结构分析与变形测试试验研究

1、某超超临界某超超临界1000MW1000MW机组低压模块变形机组低压模块变形 测试与加固研究测试与加固研究 内容简介：内容简介：介绍了某型1 000MW 超超临界汽轮机经常 发生低压部分动静碰磨，引发机组振动，排汽导流环 连接螺栓断裂等问题。通过真空状态下低压缸变形试 验并结合有限元计算对事故原因进行分析，找出问题 的根源，提出对该型机组低压缸结构的改进方案，为 以后同类型汽轮机安装、调试、运行提供借鉴作用。 某超超临界某超超临界1000MW1000MW机组低压模块机组低压模块 变形测试与加固研究变形测试与加固研究 1 1 概述概述 2 2 低压缸简介低压缸简介 3 3 该型机运行中出现的问题

2、描述该型机运行中出现的问题描述 4 4 机组启动前试验及分析机组启动前试验及分析 4.1 4.1现有低压汽缸刚度分析现有低压汽缸刚度分析 4.2 4.2低压汽缸加固原技术路线低压汽缸加固原技术路线 4.3 4.3低压缸变形试验低压缸变形试验 4.4 4.4低缸动静碰摩的故障特征及分析低缸动静碰摩的故障特征及分析 4.4.1 4.4.1低压缸轴承振动突升低压缸轴承振动突升 4.4.2 4.4.2低压缸壳体振动及轴封护热板螺栓断裂等问题低压缸壳体振动及轴封护热板螺栓断裂等问题 4.5 4.5低压缸改进后的加固技术路线及方案低压缸改进后的加固技术路线及方案 5 5 结论及建议结论及建议 某超超临界某

3、超超临界1000MW1000MW机组低压模块机组低压模块 变形测试与加固研究变形测试与加固研究 1 1 概述概述 某公司引进的超超临界1000MW 汽轮机是日本东芝公司技术，研制 的首台超超临界1000MW 汽轮发电机组于 2007 年 11 月在国电泰州电 厂( 简称泰州) 投运，随后又陆续在大唐三百门电厂( 简称三百门) 、 中电投平顶山电厂( 简称平顶山) 、华能沁北电厂( 简称沁北) 累计投 运了 8 台机组。平顶山#1、#2汽轮机为某厂生产的第5、6台CCN1030 25/600/600型超超临界凝汽式汽轮机。前四台和后两台同型机组调试阶 段，低压缸部分振动异常，其原因是机组低压缸端

4、部及通流部分产生动 静碰摩。这些机组存在一个共同的问题，即在运行中，低压缸体的变形 量和下沉量均超出了原设计值并引发摩擦振动。 为此，本文对这一共性问题进行深入研究，找出该型机组低压缸动 静碰摩的主要原因，并据此给出了对应的技术改进措施，为该型机组的 设计、安装、运行和检修提供参考。 2 低压缸简介 汽轮机由高、中压缸和两个低压缸组成，高压缸为单流式，反向流 动。中、低压缸采用双分流，以缩短机组轴向尺寸、控制末级叶片长度 和减小转子轴向推力。 四个汽缸均采用了双层缸结构：高、中压缸采用双层缸结构以减小 汽缸的热应力，提高机组对负荷变化的适应性；低压外缸为松散式结构 解决跨距大刚度弱的问题，内缸

5、为对称一体式，采用双层缸结构可以减 小外缸的热膨胀量，并有利于排汽径向扩压，低压内、外缸均为碳钢钢 板焊接而成，以减轻重量增加刚性外缸下半与两端的轴承箱焊接成一体， 安装面为同一平面，在运行中能保持轴承箱与缸体同心，两个低压缸利 用外缸下半的撑脚坐落在四周布置的台板上。该机组低压部分结构如图 1所示。 图1：某型1 000MW 超超临界低压结构剖面简图 2 2 低压缸简介低压缸简介 低压支承结构： 1内缸下半利用中分面四角伸出的搭子坐落的外缸下半，搭子 下方设有调整垫片，供调整中心用。4个搭子上各设有1个联系螺栓 以防止内缸翘起。1内缸下半中分面的中间部位左、右各设1个轴 向定位键，此处即是内

6、缸相对外缸的轴向膨胀死点。内缸下半外圆 底部前、后两端各设有1各横向定位键，以保证内缸与外缸在同一纵 向线上。内缸上半前、后两端在外圆的顶部各设有1只纵向导向键， 以引导内缸沿纵向正确膨胀。2内缸通过上、下半前、后两端伸出 的猫爪与1内缸相连接。其结构剖面如图1所示。 低压外缸下半有四周连续布置的机脚坐落的基础台板上，与汽 缸下半两端整体焊接的轴承箱也支承在同一平面上。 对于平顶山项目，哈汽通过将低压2-4级隔板汽封上偏心增大 0.2mm的方式来补偿内缸的下降，将5#-8#端部汽封间隙增大0.25mm ，并按公差上限调整汽封间隙，以防止轴端碰磨，汽轮机低压缸端 部汽封和隔板汽封全部由斜齿改为直

7、齿汽封。 3 3 该型机调试中出现的问题描述该型机调试中出现的问题描述 该型超超临界1000MW 机组调试中，有多台机组的汽轮机低压部分 发生动静碰磨，引发机组振动。如某电厂低压端部汽封与低压转子碰磨， 低压通流内部叶顶汽封与叶片碰磨。也有机组抽真空时汽缸变形过大， 导致排汽导流环连接螺栓经常断裂等问题。 造成动静碰摩的主要原因是在真空及热态工况低压缸体及内部部件 的变形及膨胀等因素作用下机组动静部件变形量超过设计值以致动静部 分接触。 例如：泰州#1机组于2007年11月2日首次冲转至12月4日完成168h满 负荷连续试运考核，共历时33天，期间经11次启停。 发现机组在10kPa的排汽压力

8、下，#5、6轴承座与固定台板处有起翘现 象，缝隙约0.15mm，最大达0.20 mm，低压缸刚度不够，#6、#7轴承在 真空12kPa的时候发现下沉量分别为0.32、0.54mm，在高真空下低压缸 发生变形，从而影响轴承座中心，#1机在第9次启动后，将低压轴封上 间隙调至上限1.23 mm，低压外缸抬高0.10 mm，振动问题基本解决。 3 3 该型机调试中出现的问题描述该型机调试中出现的问题描述 大唐潮州三百门电厂#3机组于2009年6月30日首次冲转，进行16 次启动，共历时100天。#3汽轮机在低压刚度及低压缸的轴承振动问 题更为严重，表现为低压刚度低造成汽轮机振动。广东大唐潮州4号 机

9、于2010年1月18日22:36顺利完成168试运行。在之后的几次启动升 负荷过程中，低压缸轴振出现几次爬升现象，振动特征重复性较好 ，在振动增大的过程中，相位也随之增大。长时间稳定后，振动都 能回落到正常值。 日本东芝公司承认泰州与三百门出现的低压缸振动问题是由于 低压缸刚度不足造成的并对低压缸刚度进行了有限元分析。东芝公 司认为东芝1000MW汽轮机低压缸为柔性结构，已经投产的四台汽轮 机均存在超出设计值的低压汽缸变形和低压内缸下沉问题，表现为 一方面汽轮机间隙变小产生低压缸动静碰摩，另一方面汽轮机间隙 增大引起超设计漏汽，抬高抽汽的温度。为此对这一共性问题进行 了深入研究，从设计、制造、

10、安装工艺的源头采用有效的措施，防 范类似问题在我公司机组上再次发生。 4机组启动前相关试验及分析 4.1现有低压汽缸刚度分析 东芝1000MW汽轮机低压缸刚度分析报告数据见图2，分析报告认为： 对低压整体模型施加轴承载荷、真空载荷、自重载荷后分析结果：轴承 支撑部分变形量0.6mm,实际测量值0.30.5 mm。 图图2 2东芝低压缸有限元分析 4.24.2低压缸加固原技术路线低压缸加固原技术路线 2009年10月哈汽研究院进行有限元分析后，认为通过局部增 加辅助支撑不能实现汽缸整体刚度变化，建议不要通过更改汽缸 结构或增加辅助支撑的方式来实现汽缸刚度的提高。 哈汽有限元分析及加强方案如图3、

11、4及表1所示，在低压外缸 端部增加2个撑管(规格:168x22/20)和一个钢板(规格:50/Q235-A) 肋板；低压外缸下半增加一个撑管(规格:168x22/20)。 注1:分析结果与东芝公司分析部分数据存在一定的差异，主 要是哈汽选择的网络精度没有东芝公司的精度高（东芝公司分析 时用的全协调六面网络），但结果在材料许可范围内，认为此低 压缸本属于柔性结构。认为支撑位置垂直和横向变形是解决动静 碰磨的关键。 注2：这两个变形是解决动静相碰的关键，这两个值不能改善 的话，其它工作将没有意义。 表1超超临界1000MW低压外缸加强方案数据对比 序号名称哈汽数据东芝数据加强方案备注 1总应力19

12、1.5MPa117.3 MPa 168.4 MPa 2总变形4.71mm5.8 mm4.37 mm 3低板横向变形0.33mm0.2-0.3mm 0.256mm 4支撑位置垂直变 形 0.19mm0.2mm0.18mm注1 5支撑位置横向变 形 0.18mm0.2mm0.15mm注2 6端部变形下半4.71mm/4.37mm 7端部变形上半3.07mm/2.68mm 8侧面变形2.56mm/1.44mm 图图 3 3：低压模块垂直方向整体变形与低压端汽封垂直变形后与原始位置对比（内侧大于外侧）：低压模块垂直方向整体变形与低压端汽封垂直变形后与原始位置对比（内侧大于外侧） 图4: 哈汽低压缸有限

13、元分析 图5: 哈汽低压缸原加强方案 4.3低压缸变形测试试验 2010年10月5日和11月7日平顶山电厂在1#机及2#机 调试过程分别进行了#1、#2机组抽真空低压缸变形试验， 数据见表2、3及图6。 真 空 （ kPa） 低压内缸 前支撑 低压内缸 后支撑 #8瓦下沉 盘车电流#8瓦顶轴油压 试验前测 量值 000014.8A13.5 MPa 试验时测 量值 -92.9-0.296-0.321-0.38918.77A5.2 MPa 表2 #1机组抽真空低压缸变形试验数据 单位：mm 时间#5瓦#6瓦#7瓦#8瓦 真空 （kPa） 17:005.005.005.005.00-0.20 17:

14、405.024.994.855.04-4.17 18:005.005.014.775.08-78.26 18:304.814.824.564.83-88.76 19:004.84.84.544.765-91.78 19:304.794.824.524.72-92.79 20:004.784.8054.4854.66-93.02 20:304.774.794.4554.63-93.10 变形值-0.23-0.21-0.545-0.37. 表3 #2机组抽真空前后各瓦下沉值 单位：mm 024681012141618 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 0 100

15、开始 抽 真 空 1-2 3-4 5-6 7-8 3-6 1-6 变形 （ m ） 相 对时间（ 小 时） 说明：1-21-2：轴封体内侧：轴封体内侧- -内缸排汽口；内缸排汽口；3-43-4：内缸后支撑：内缸后支撑- -低压缸座；低压缸座；5-5- 6 6：低压缸座：低压缸座- -地基地基 7-8 7-8：8 8瓦瓦-9-9瓦；瓦；3-53-5：内缸后支撑：内缸后支撑- -地基；地基；1-51-5：轴封：轴封 体内侧体内侧- -地基地基, ,注：东南大学火电机组振动国家工程研究中心试验，数据注：东南大学火电机组振动国家工程研究中心试验，数据 为负表示相关部件在抽真空时下沉（对基础）为负表示相

16、关部件在抽真空时下沉（对基础） 图6 #2机组抽真空低压缸变形数据变化曲线图 根据以上数据，初步分析如下： 抽真空时低压转子轴承支撑处出现下沉现象， 轴瓦下沉量大于低压内缸下沉量。8瓦轴瓦下沉量 0.40mm，与东芝公司在泰州电厂测试数据及低压缸有限 元分析值基本一致。 哈汽通过将低压2-4级隔板汽封上偏心增大0.2mm 的方式来补偿内缸的下降。 抽真空后，振动中心测量的下沉数据0.08mm （加锡块测量23级处下沉数据0.13mm），振动中心数据 与锡块测量值趋势上一致。 从顶轴油压变化判断，转子随轴承下沉，但转子 下沉量小于轴承轴瓦下沉量；原因为转子受轴系影响， 其他轴瓦无法同时下沉。 抽

17、真空后盘车电流增大，可能原因为动静碰摩或 轴系变化。 因轴承洼窝为类似悬臂梁结构，轴封处下沉量 0.625mm大于轴承下沉量，而转子下沉量小于轴承下沉 量，造成轴封上部间隙变小。这与其他电厂运行时出现 上轴封动静摩擦现象相一致。安装时端部汽封上部间隙 已调整为1.29mm，同时由斜齿汽封改为直齿汽封，有利 于机组顺利启动。 从轴系的负荷分配角度分析，抽真空后低压缸变形 导致5-8瓦下降，设计上中低压转子对轮高低差0.56mm 进行补偿。 原低压缸有限元分析和加固分析仅关注低压内缸支 撑处变形，有所片面性，应重点关注轴承支撑处的角变 形差异。上汽厂为落地式轴承无相关问题，进一步证明 此结论。 3

18、.3.机组运行中出现问题处理及分析机组运行中出现问题处理及分析 图7：低压端汽封垂直变形0.264 mm0.264 mm 4.34.3低压缸变形测试试验低压缸变形测试试验 根据变形数据分布与趋势来看，分析结果与实测值 符合较好。 经过方案对比分析发现，端汽封发生的角变形引起 碰磨是根本原因，在于外缸上下半变形不平衡及端汽封 的上下半连接形式不同，抽真空后端部汽缸变形太大共 同作用的结果，汽缸变形不平衡与端汽封与汽缸间的连 接刚度的合成决定了端汽封的倾斜程度，上半汽缸刚度 弱，所以往里倾斜。 端汽封安装状态与抽真空后变形对比如图 7所示，发 生碰磨位置就是图7右侧深色部分，即端汽封内部下半， 与

19、电厂运行碰磨位置完全一致，图 8A/B/C所示。 图8A：沁北轴径磨损从内到外磨损逐渐加沁北轴径磨损从内到外磨损逐渐加 图8B：沁北沁北#5#5机组下部斜齿汽封磨损严重机组下部斜齿汽封磨损严重 图8C：沁北沁北#5#5机组部上部斜齿汽封没有磨损机组部上部斜齿汽封没有磨损 试验数据表明，抽真空时低压外缸变形较大，运行时低压 外缸的变形会连带引起动静间隙和轴承标高变化，影响了负荷 分配，从而导致机组振动。对同类机组的电厂调查也发现，该 型机组多次发生真空高及变工况时易发振动的问题，这些都清 晰表明该型机组低压外缸刚度明显偏低。 4. 4低缸动静碰摩的故障特征及分析 4.4.1低压缸轴承振动突升 通

20、过对该型机组多台低压缸动静碰摩故障的全程监测，其 故障特征总结如下: 1) 机组定速运行一段时间后(比如泰州1号机定速运行2h左 右；三百门3号机定速运行 4h左右；沁北5号机定速运行1h 左 右) ，低压转子开始出现振动攀升( 见图 11A/B) 。 2) 振动波动受低压缸真空、排汽缸温度等影响明显。 3) 振动波动的主要频率成分为基频振动。 4) 振动波动一般发生在高转速工况，待机组惰走至 800 r/min 左右，振动又趋于稳定。 5) 该型机组低压汽封的原设计均选用斜齿汽封，与直齿汽 封点接触相比，斜齿汽封属于面接触，因此，一旦出现动静碰 4.4.1低压缸轴承振动突升 摩，就很难通过“

21、磨合”方式磨出合适的动静间隙。斜汽封改 为直齿汽封，有利于机组顺利启动。平顶山#1/2机组和沁北#6 机变更为直齿汽封，整个调试和运行过程，振动基本正常。 综上所述，该型机组低压缸发生的动静碰摩并发散的根本原因 是端汽封发生的角变形引起斜齿汽封碰磨，低压转子热弯曲， 振动发散跳机。 4.4.2低缸振动及轴封螺栓断裂等问题 图9 A低压缸端部轴封隔 热罩水平中分面螺栓断 图10 低压第一级叶顶明显磨痕(同 时下叶顶汽封有磨痕) 图11A沁北 #5 LP1 5X 向轴振趋势图图11B沁北 #5 LP1 6X 向轴振趋势图 平顶山电厂2#机低压缸台板、地基振动极小max0.015mm，轴轴承箱 盖5

22、#瓦处0.044mm，而低压外缸上缸两侧最大振动0.8mm左右（前部，对 应5/7瓦），0.2mm（后部，对应6/8瓦）。低压缸振动大区域，与低压缸 变形分析变形最大区域相吻合，即图2中最大变形5.8mm处。此处振动直 接与低压缸本体刚度相关，间接上可能与安装、设备制造质量有关。 尽管通过早期投运几台机组的现场调试经验，哈汽认识到该型机组低压 缸的原设计刚度较弱，并在沁北 5 号、6 号机组上采取了一定的低压缸 加固方案，但现场效果不明显。 4.54.5低压缸改进后的加固技术路线及方案低压缸改进后的加固技术路线及方案 经过低压缸变形试验，端汽封安装状态与抽真空后变形与电厂运行 碰磨位置完全一致

23、，分析认为：该型机组低压缸的动静碰摩并发散的根 本原因是端汽封发生的角变形引起斜齿汽封碰磨，低压转子热弯曲，振 动发散跳机，端汽封发生的角变形和采用斜齿汽封是引起碰磨并发散的 根本原因，进一步认识到原低压缸有限元加固分析仅关注低压内缸支撑 处垂直和横向变形是所片面的，应重点关注轴承支撑处角变形。 加固技术路线调整为应重点关注轴承支撑处角变形控制，对比各加固 方案，可以发现：支撑位置垂直变形分别为0.18mm、0.243mm、0.242mm, 最终实施加固方案支撑位置垂直变形为0.242mm，并没有改善；但是其汽 封内侧上部垂直变形和汽封外侧上部垂直变形得到根本改善，对比方案1 和实施方案，分别

24、由0.376mm减少为0.148mm、由0.255mm减少为 0.123mm, 汽封内侧上部垂直变形改善效果由10.5%增加到47.18%,汽封外 侧上部垂直变形改善效果由9.3%增加到48.5%。 大型火电机组中，低压缸在机组运行中所起的作用十分重要。在低压 外缸刚性设计之初精确计算刚性有助于机组的安全运行。汽缸的受力状 态复杂，为避免缸体变形，必须保证低压缸具有良好的刚度，以保证低 压缸在变工况条件下能够稳定运行。增强排汽缸刚性的方法主要是在某 些薄弱环节加设筋板，撑管等部件，而这些部件对汽流流动往往起到阻 碍作用，即降低排汽缸的汽动性能。为避免内部加支撑影响汽流，可考 虑外部加固。 经过

25、多次改进和分析，对低压外缸上半加固方案进行了优化，最终方 案为低压外缸端部上半外表面增加了若干加强筋，呈扇形分布，低压外 缸端部上半内壁增加撑板，低压外缸端部下半增加两个撑管，排汽导流 锥板下半增加三个支撑管，下半端壁采用纵横各两道槽钢进行加强。最 终加固方案三维模型如图11，图中红色部分即为加强部分。 图12:优化后的低压外缸加固方案三维模型 图13(优化后方案)低压端汽封垂直变形0.123mm0.123mm 经过全面的分析发现，低压外缸刚度的确与试验结果一致，刚度偏 小，结合现场实际情况与整个低压模块结构，经研究认为应采取增强外 缸刚度，提高轴承箱支撑，减小端汽封垂直变形，改善外缸对内缸支

26、撑 刚度等多方面措施，提出了 4 个方案，其中一个方案( 方案 2) 如图 12 所示。 图14:原哈汽加固方案 图15(原加固)低压端汽封垂直变形0.264 mm0.264 mm 原模型及方案 1、方案 2 的分析结果及优化加强后的低压缸变形和应力分析 数据汇总如表4 所示。 表4：各加固方案比较 机组在正常运行时，东芝公司在低压缸设计上预计壳体会有所变形， 尤其是轴承座处，座落在低压外缸上的轴承将向内倾斜，外侧油挡向上 抬升，间隙减小。从中可以判断其支撑轴承座的结构动刚度不是很强。 再者从低压内缸的变形情况分析，制造厂在缸体结构强度设计方面裕度 不够。 平顶山电厂1#机组低压缸壳体振动明显好于2#机组，表明低压缸制造 、安装工艺十分重要，须严格控制。 排汽缸的刚度问题不仅要考虑在各种动静载荷作用下的变形及振动响 应，还要研究排汽缸刚度对转子轴承基础这一系统的动力学影响， 其在汽轮机能否安全运行上所起的作用是举足轻重的，尤其随着机组容 量的加大，轴承箱座在排汽缸上的形式被普遍采用，这一问题更为突出 。 经过方案对比分析发现，加固不能改善低压内缸支撑处变形, 低压 缸本属于柔性结构, 通过将低压2-4级隔板汽封上偏心增大0.2mm的弹性 变形方式来补偿内缸的下降。端汽封发生的角变形是引起碰磨根本原因， 在于外缸上下半变形不平衡及端汽封的上下半连接形式不同，抽真空后